率定平台孔压控制系统及其控制方法
阅读说明：本技术 率定平台孔压控制系统及其控制方法 (Calibration platform hole pressure control system and control method thereof ) 是由 张茹 谢和平 张泽天 李怡航 高明忠 陈领 张志龙 杨阳 李佳南 黄伟 任利 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种率定平台孔压控制系统及其控制方法,属于孔隙压力控制技术领域,包括流量控制器、与流量控制器连接的计算机、分别与流量控制器和计算机连接的隔离器和PLC控制器、分别设置于所述流量控制器进出口处的第一液控单向阀、第一压力采集模块、分别设置于所述隔离器进出口处的第二压力采集模块和第二液控单向阀以及设置于所述隔离器出口端的泥沙过滤模块,所述第一液控单向阀、第一压力采集模块、第二液控单向阀和第二压力采集模块均与所述计算机连接。本发明通过在管道内的多个监测点上安装温压传感器,在保证高温高压安全的同时,为模拟舱提供了可靠的温压控制系统。(The invention provides a calibration platform pore pressure control system and a control method thereof, belonging to the technical field of pore pressure control, and comprising a flow controller, a computer connected with the flow controller, an isolator and a PLC (programmable logic controller) respectively connected with the flow controller and the computer, a first hydraulic control one-way valve, a first pressure acquisition module, a second pressure acquisition module and a second hydraulic control one-way valve respectively arranged at the inlet and the outlet of the flow controller, and a silt filtering module arranged at the outlet end of the isolator, wherein the first hydraulic control one-way valve, the first pressure acquisition module, the second hydraulic control one-way valve and the second pressure acquisition module are all connected with the computer. According to the invention, the temperature and pressure sensors are arranged on a plurality of monitoring points in the pipeline, so that a reliable temperature and pressure control system is provided for the simulation cabin while the safety of high temperature and high pressure is ensured.)
技术领域
本发明属于孔隙压力控制技术领域，尤其涉及一种率定平台孔压控制系统及其控制方法。
背景技术
向地球深部进军是近期和未来我国科技创新的重要方向。目前，地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，煤炭开采深度已达1500m，地热开采深度超过3000m，金属矿开采深度超过4350m，油气资源开采深度达 7500m，深部资源开采已成为常态。探明深部岩石特性，为深部进军提供强有力的支持，就必须在实际工程的深部原位保真取芯工作前，先在实验室中还原深部环境，并测试取芯系统的可靠性。而目前针对还原原位环境实验的温压控制装置，基本停留在浅部岩石力学实验阶段，甚至是常温常压阶段；同时，很少考虑应力-温度-渗透压力三场耦合的情况，可能在试样内部各点未达到均匀时就开始了钻芯或力学实验，这样做会导致较大的偏差，无法正确还原岩石的原位环境，得出的实验结论或者取出的岩芯与实际情况有所误差。
在深地环境中，与浅部最明显的区别就是其高温高压的环境，其温压环境可以达到100℃与100MPa以上，为了研究深部原位取芯，必须了解深部原位温压情况下的各种性质，该发明即为深部原位保真取芯模拟舱提供了温压的控制系统及其调控方法。在一些模拟取芯或者原位实验中，温压的加载路径十分重要，特别是在深地中100+℃与100+MPa级别的温压环境，若温压加载路径不一致，会导致水体气化，对整个实验系统造成巨大扰动。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种率定平台孔压控制系统及其控制方法，在保证高温高压管道安全的同时，为深部原位保真取芯模拟舱提供了可靠的温压控制。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种率定平台孔压控制系统，包括流量控制器、与所述流量控制器连接的计算机、分别与所述流量控制器和计算机连接的隔离器和PLC控制器、分别设置于所述流量控制器进出口处的第一液控单向阀、第一压力采集模块、分别设置于所述隔离器进出口处的第二压力采集模块和第二液控单向阀以及设置于所述隔离器出口端的泥沙过滤模块，所述第一液控单向阀、第一压力采集模块、第二液控单向阀和第二压力采集模块均与所述计算机连接。
进一步地，所述流量控制器包括第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源，所述第一液控单向阀和第一压力采集模块均分别位于所述第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源的进出口，且所述第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源均与隔离器连接。
再进一步地，所述计算机、PLC控制器、第一液控单向阀以及第一压力采集模块为闭环控制；所述计算机、PLC控制器、第二液控单向阀以用第二压力采集模块为闭环控制。
再进一步地，所述第一压力采集模块和第二压力采集模块的结构均相同，均包括压力传感器U4、AD转换模块、单片机模块、显示模块和无线通信模块。
再进一步地，所述压力传感器与AD转换模块连接，所述单片机模块分别与AD转换模块、显示模块和无线通信模块连接；所述压力传感器U4所采用的型号为PTH702H，所述压力传感器U4的第1引脚与+24V电压连接。
再进一步地，所述AD转换模块包括型号为TCL549CD的AD转换芯片U3，所述AD转换芯片U3的REF+引脚与其VCC引脚均与+5V电压连接，所述AD 转换芯片U3的REF-引脚和GND引脚接地，所述AD转换芯片U3的ANLG IN 引脚与压力传感器U4的第3引脚连接。
再进一步地，所述单片机模块包括型号为AT89S51的单片机U1，所述单片机U1的XTAL1引脚分别与晶振X1的一端和接地电容C2连接，所述单片机 U1的XTAL2引脚分别与晶振X1和接地电容C3连接，所述单片机U1的RST 引脚分别与电阻R1的一端、接地电容C1和接地开关K1连接，所述电阻R1的另一端与+5V电压邻接，所述单片机U1的P1.0引脚与AD转换芯片U3的CLK 引脚连接，所述单片机U1的P1.1引脚与AD转换芯片U3的DO引脚连接，所述单片机U1的P1.2引脚与AD转换芯片U3的CS引脚连接。
再进一步地，显示模块包括型号为LM1602的显示屏LCD1，所述显示屏 LCD1的VSS引脚与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的VDD引脚接地，所述显示屏LCD1的VEE引脚与滑动电阻RV1的滑动端连接，所述滑动电阻RV1 的第一不动端接地，所述滑动电阻RV1第二不动端与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的RS引脚、RW引脚和E引脚与单片机U1的P2.0引脚、P2.1引脚和 P2.2引脚一一对应连接，所述显示屏LCD1的D0至D7引脚分别与排阻RP1的第2引脚至第9引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第2引脚至第9引脚分别与单片机P0.0至P0.7引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第1引脚与+5V电压连接；
所述无线通信模块包括型号为NRF24L01+的无线通讯集成板U2，所述无线通讯集成板U2的CE引脚、CSN引脚、SCK引脚、MOSI引脚、MISO引脚、 IRQ引脚分别与单片机U1的P3.0至P3.5一一对应连接，所述无线通讯集成板 U2的VCC引脚与+3.3V电压连接，所述无线通讯集成板U2的GND引脚接地。
基于上述方法，本发明还提供了一种率定平台孔压控制方法，包括以下步骤：
S1、由计算机通过PLC控制器向第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源发出交替运行的指令，并开启位于第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源进口处的第一液控单向阀；
S2、根据所述指令，利用第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源交替推动隔离器，并开启第二液控单向阀；
S3、利用第一压力采集模块监测第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源进出口处的孔隙压力信息，同时利用第二压力采集模块监测隔离器在交替运行时的孔隙压力信息，并利用泥沙过滤模块过滤液体内的泥沙；
S4、将监测得到的孔隙压力信息发送至计算机；
S5、通过计算机向第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源发出停止交替运行的指令，并关闭第一液控单向阀和第二液控单向阀，完成率定平台孔压的控制。
进一步地，所述计算机、PLC控制器、第一液控单向阀和第一压力采集模块为闭环控制；所述计算机、PLC控制器、第二液控单向阀和第二压力采集模块为闭环控制。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在管道内的诸多监测点上安装温压传感器，通过数据自动采集系统与计算机技术，在保证高温高压管道安全的同时，为深部原位保真取芯模拟舱提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。
(2)准确在深部原位保真取芯模拟舱中还原深地高温高压的赋存环境，通过各类传感器进行温压调控，防止因为温差引起的高温高压实验装置损坏。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明提出的第一压力采集模块和第二压力采集模块的结构示意图。
图3为本发明提出的第一压力采集模块和第二压力采集模块的电路图。
图4为本发明的方法流程图。
其中，1-流量控制器，2-计算机，3-隔离器，4-第一液控单向阀，5-第一压力采集模块，6-第二压力采集模块，7-第二液控单向阀，8-PLC控制器，9-泥沙过滤模块，101-第一超高压伺服推力油源，102-第二超高压伺服推力油源。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明实施例中，率定平台为深部原位保真取芯“五保”能力率定平台的简称，模拟舱为深部原位高温高压环境模拟舱的简称。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种率定平台孔压控制系统，包括流量控制器1、与所述流量控制器1连接的计算机2、分别与所述流量控制器1和计算机2连接的隔离器3和PLC控制器8、分别设置于所述流量控制器1进出口处的第一液控单向阀4、第一压力采集模块5、分别设置于所述隔离器3进出口处的第二压力采集模块6和第二液控单向阀7以及设置于所述隔离器3出口端的泥沙过滤模块9，所述第一液控单向阀4、第一压力采集模块5、第二液控单向阀7和第二压力采集模块6均与所述计算机2连接。所述流量控制器1包括第一超高压伺服推力油源101和第二超高压伺服推力油源102，所述第一液控单向阀4和第一压力采集模块5均分别位于所述第一超高压伺服推力油源101和第二超高压伺服推力油源102的进出口，且所述第一超高压伺服推力油源101和第二超高压伺服推力油源102均与隔离器3连接。所述计算机2、PLC控制器8、第一液控单向阀4以及第一压力采集模块5为闭环控制；所述计算机2、PLC控制器8、第二液控单向阀7以用第二压力采集模块6为闭环控制。
如图2-图3所示，所述第一压力采集模块5和第二压力采集模块6的结构均相同，均包括压力传感器U4、AD转换模块、单片机模块、显示模块和无线通信模块。所述压力传感器与AD转换模块连接，所述单片机模块分别与AD转换模块、显示模块和无线通信模块连接；所述压力传感器U4所采用的型号为 PTH702H，所述压力传感器U4的第1引脚与+24V电压连接。所述AD转换模块包括型号为TCL549CD的AD转换芯片U3，所述AD转换芯片U3的REF+ 引脚与其VCC引脚均与+5V电压连接，所述AD转换芯片U3的REF-引脚和 GND引脚接地，所述AD转换芯片U3的ANLG IN引脚与压力传感器U4的第 3引脚连接。所述单片机模块包括型号为AT89S51的单片机U1，所述单片机 U1的XTAL1引脚分别与晶振X1的一端和接地电容C2连接，所述单片机U1 的XTAL2引脚分别与晶振X1和接地电容C3连接，所述单片机U1的RST引脚分别与电阻R1的一端、接地电容C1和接地开关K1连接，所述电阻R1的另一端与+5V电压邻接，所述单片机U1的P1.0引脚与AD转换芯片U3的CLK 引脚连接，所述单片机U1的P1.1引脚与AD转换芯片U3的DO引脚连接，所述单片机U1的P1.2引脚与AD转换芯片U3的CS引脚连接。显示模块包括型号为LM1602的显示屏LCD1，所述显示屏LCD1的VSS引脚与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的VDD引脚接地，所述显示屏LCD1的VEE引脚与滑动电阻RV1的滑动端连接，所述滑动电阻RV1的第一不动端接地，所述滑动电阻 RV1第二不动端与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的RS引脚、RW引脚和E 引脚与单片机U1的P2.0引脚、P2.1引脚和P2.2引脚一一对应连接，所述显示屏LCD1的D0至D7引脚分别与排阻RP1的第2引脚至第9引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第2引脚至第9引脚分别与单片机P0.0至P0.7引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第1引脚与+5V电压连接；所述无线通信模块包括型号为 NRF24L01+的无线通讯集成板U2，所述无线通讯集成板U2的CE引脚、CSN 引脚、SCK引脚、MOSI引脚、MISO引脚、IRQ引脚分别与单片机U1的P3.0 至P3.5一一对应连接，所述无线通讯集成板U2的VCC引脚与+3.3V电压连接，所述无线通讯集成板U2的GND引脚接地。
在本实施例中，压力传感器U4测量压力，得到模拟信号，模拟信号经过 AD转换模块转换为数字信号，将数字信号传输至单片机模块进行处理，得到压力值，并将压力值通过显示屏显示以及通过无线通信模块传输至计算机设备。
本实施例中，孔隙压力是利用一组超高压无限体积流量控制器1(由两只超高压伺服推力油源组成，简称“油源”)计算机2控制油源交替运行，推动一组超高压无限体积隔离器3(用于油水转换，简称“隔离器”)。使隔离器3交替运行，就能保持控制渗透水压力与流量连续不断输出。每一组油源或隔离器3的进、出油(水)口，均配备独立的液控单向阀和闭环控制的压力采集模块，与计算机2及流量控制器1共同组成一套大的闭环控制系统。实现每一组加压油源(或隔离器3)可以单独控制，且相互协同工作，实现渗透水压的稳定、可靠、安全施加，其具体工件过程为：由计算机2通过PLC控制器8向第一超高压伺服推力油源101和第二超高压伺服推力油源102发出交替运行的指令，并开启位于第一超高压伺服推力油源101和第二超高压伺服推力油源102进口处的第一液控单向阀4；根据其指令，利用第一超高压伺服推力油源101或第二超高压伺服推力油源102交替推动隔离器3，并开启第二液控单向阀7；利用第一压力采集模块5监测第一超高压伺服推力油源101或第二超高压伺服推力油源102进出口处的孔隙压力信息以及孔隙温度信息，同时利用第二压力采集模块6监测隔离器3在交替运行时的孔隙压力信息；将监测得到的孔隙压力信息以及孔隙温度信息发送至计算机2；通过计算机2向第一超高压伺服推力油源101或第二超高压伺服推力油源102发出停止交替运行的指令，并关闭第一液控单向阀4和第二液控单向阀7，完成应用于模拟舱的孔隙压力控制。
本实施例中，泥沙过滤模块用于过滤模拟舱内液体中的泥沙。
本实施例中，本发明通过在管道内的诸多个监测点上安装压力传感器，通过数据自动采集系统与计算机技术，在保证高温高压管道安全的同时，为深部原位保真取芯模拟舱提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。
实施例2
如图4所示，本发明还提供了一种率定平台孔压控制方法，其实现方法如下：
S1、由计算机通过PLC控制器向第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源发出交替运行的指令，并开启位于第一超高压伺服推力油源和第二超高压伺服推力油源进口处的第一液控单向阀；
S2、根据所述指令，利用第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源交替推动隔离器，并开启第二液控单向阀；
S3、利用第一压力采集模块监测第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源进出口处的孔隙压力信息，同时利用第二压力采集模块监测隔离器在交替运行时的孔隙压力信息，并利用泥沙过滤模块过滤液体内的泥沙；
S4、将监测得到的孔隙压力信息发送至计算机；
S5、通过计算机向第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源发出停止交替运行的指令，并关闭第一液控单向阀和第二液控单向阀，完成率定平台孔压的控制。
本实施例中，所述计算机、PLC控制器、第一液控单向阀和第一压力采集模块为闭环控制；所述计算机、PLC控制器、第二液控单向阀和第二压力采集模块为闭环控制。
本实施例中，第一超高压伺服推力油源、第二超高压伺服推力油源以及隔离器均可单独控制。
本实施例中，孔隙压力是利用一组超高压无限体积流量控制器1(由两只超高压伺服推力油源组成，简称“油源”)计算机2控制油源交替运行，推动一组超高压无限体积隔离器3(用于油水转换，简称“隔离器”)。使隔离器3交替运行，就能保持控制渗透水压力与流量连续不断输出。每一组油源或隔离器3的进、出油(水)口，均配备独立的液控单向阀和闭环控制的压力采集模块，与计算机2及流量控制器1共同组成一套大的闭环控制系统。实现每一组加压油源(或隔离器3)可以单独控制，且相互协同工作，实现渗透水压的稳定、可靠、安全施加。
本发明通过在管道内的诸多个监测点上安装压力传感器，通过数据自动采集系统与计算机技术，在保证高温高压管道安全的同时，为深部原位保真取芯模拟舱提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。本发明能够准确在深部原位保真取芯模拟舱中还原深地高温高压的赋存环境，通过各类传感器进行温压调控，防止因为温差引起的高温高压实验装置损坏。
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